油冷式永磁同步电机流场及温度场分析

由于当前对于电机高功率/扭矩密度的需求不断增加，在电机中使用直接油冷却的趋势越来越大。针对永磁同步电机在运行过程中温度过高现象，本文以一台额定功率为80 KW的车用油冷式永磁同步电机作为研究对象，分析电机各部件的损耗来源，并对电机气隙域及绕组部分进行了等效处理，通过光滑粒子流体动力学方法计算出电机各表面与冷却油的换热系数，结合有限元方法仿真模拟分析了10,000 rpm额定工况下电机内流动特性和温度分布，为电机设计提供理论依据。

近年来，随着电机应用的多样化，高功率密度、高可靠性和高紧凑性的要求越来越受到重视，温升是限制这三个要求的瓶颈之一，如果温升非常高，将导致电机过热、绝缘失效和退磁等问题。目前电机的冷却方式大概有四种：(1) 空气冷却[1]；(2) 水冷[2]；(3) 直接油冷[3]；(4) 油水联合冷却[4]， 最佳的冷却性能通常为油冷和水冷的结合，然后是直接油冷、间接水冷和风冷。虽然直接油冷的存在需要更多的成本且导致系统相对复杂，但相反直接油冷却具有以下几个优点：油在为电机提供冷却的同时可为汽车中的旋转部件进行润滑，例如轴承变速箱等[5]；油是一种良好的电绝缘体，可以与电有源部件直接接触。

随着永磁同步电机制造技术的发展，需要更准确、更详细的温升计算和冷却分析，才能更好的指导电机的设计和生产。目前最常用的热分析方法主要有公式法、等效热网络法、有限元法、有限体积法。

公式法主要是基于经验公式，在准确性方面存在问题，应用相当有限。等效热网络法通过经验公式计算各种电阻，根据几何位置关系和传热路径将各节点进行连接，形成全局热阻网络，从而预测电机内主要部件的温度[6]。有限元分析在热分析中模拟固体之间的热传导，采用对流换热边界条件，可以预测整个电机的温度，且准确性相对于等效热网络法而言较高[7]。有限体积法主要优势在于它可以解决复杂区域的流动特性，缺点是求解过程较长且对计算机硬件要求很高。

本文以一台额定功率为80 KW 的车用油冷式永磁同步电机作为研究对象， 结合有限元法和公式法分析计算电机各部件的损耗，并对电机气隙域及绕组部分进行了等效处理，通过计算出电机各表面与冷却油的换热系数，结合有限元方法仿真模拟分析了10,000 rpm 额定工况下电机内流动特性和温度分布，为电机设计提供理论依据。

2. 模型建立 2.1. 电机基本参数 本文研究的电机是80 KW 油冷式永磁同步电机，该电机的基本参数如表1 所示。

2.2. 流动传热模型 SPH 方法即光滑粒子流体动力学方法，是新兴的无网格拉格朗日算法，所有质点的整体运动被看作